Vediamo com'è fatto internamente un microcontrollore PIC, quali dispositivi contiene e come interagiscono tra loro. Nella figura seguente viene riprodotto lo schema a blocchi semplificato dell'architettura interna del PIC16F84A che ci aiuterà a seguire meglio quanto verrà spiegato di seguito. Le parti evidenziate in giallo, sono le componenti che di volta in volta andremo ad analizzare

INIZIAMO CON LA MEMORIA PRESENTE ALL’INTERNO Il PIC ha all’interno tre tipi di memoria: - la memoria riservata ai programmi o PROGRAM MEMORY - la memoria riservata ai dati variabili o REGISTER FILE. - la memoria riservata ai dati fissi o DATA MEMORY

LA PROGRAM MEMORY La PROGRAM MEMORY è una memoria speciale di tipo FLASH. E’ utilizzata nel PIC per tenere memorizzato il programma da eseguire. E’ realizzata infatti in modo che non si cancella quando viene tolta l’alimentazione. La sua capacità è di 1024 locazioni di 14 bit. Ognuna è in grado di contenere una istruzione base del PIC che vedremo è formata da 14 bit. Il programma più complesso che potremo realizzare non potrà essere quindi più lungo di 1024 istruzioni. Gli indirizzi riservati alla PROGRAM MEMORY vanno da 0x000 a 0x3FF (0x significa esadecimale e 3FF = 1023 decimale).

Il PIC può solamente eseguire le istruzioni memorizzate in queste locazioni. Non può in alcun modo leggere, scrivere o cancellare quanto in esse contenuto. L’inserimento delle istruzioni su tali celle deve essere fatta tramite un dispositivo aggiuntivo chiamato programmatore. Un esempio di programmatore è l’epic plus o il PICSTART prodotto dalla Microchip o molti altri ancora disponibili in commercio. Questo vale per i PIC16F84A ma su altri modelli quali i PIC16F87x è possibile anche aggiornare la memoria programma dal PIC stesso a run time ovvero a programma in esecuzione.

La prima locazione di memoria, all'indirizzo zero cioè 0x000, deve contenere la prima istruzione che voglio che il PIC esegua al Reset. In questa locazione di solito vi viene posta una istruzione per resettare ed inizializzare il PIC.

IL REGISTER FILE Il REGISTER FILE è un'insieme di 48+48 locazioni di memoria RAM. Queste possono essere lette e scritte dal PIC direttamente attraverso il programma in esecuzione. A differenza della Program memory il REGISTER FILE perde il suo contenuto quando il PIC viene spento per cui è necessario reinizializzare i valori di tutte le sue locazioni prima di poterla usare Date le sue caratteristiche il REGISTER FILE è la memoria normalmente utilizzata per memorizzare le variabili di programma, ovvero tutti quei valori il cui contenuto varia durante l'esecuzione.

Le locazioni di memoria presenti nel REGISTER FILE sono indirizzabili direttamente in uno spazio di memoria che va da 0x00 a 0x2F per un totale di 48 byte, denominato pagina 0. Un secondo spazio di indirizzamento denominato pagina 1 va da 0x80 a 0xAF. Per accedere a questo secondo spazio è necessario ricorrere ai due bit ausiliari RP0 e RP1 secondo le modalità che andremo a spiegare più avanti. (0x significa che il numero è in esadecimale) Le prime 12 locazioni della pagina 0 (da 0x00 a 0x0B) e della pagina 1 (da 0x80 a 0x8B) sono quelle riservate alle funzioni speciali per il funzionamento del PIC e non devono essere utilizzate per altri scopi Le rimanenti 36 locazioni in pagina 0 indirizzate da 0x0C a 0x2F possono essere utilizzate liberamente dai nostri programmi per memorizzare variabili, contatori, ecc.

I registri specializzati del PIC vengono utilizzati molto di frequente nei programmi. Essi riportano ad esempio lo stato di funzionamento dei dispositivi interni al PIC o il risultato di operazioni aritmetiche e logiche. E' necessario conoscere esattamente quale funzione svolge ciascun registro specializzato e quali effetti si ottengono nel manipolarne il contenuto. Per facilitare le operazioni sui registri specializzati, la Microchip ha inserito una lista di nomi che identificano univocamente ciascun registro specializzato e a cui sono associati gli indirizzi corrispondenti nell'area dei REGISTER FILE. Basta che utilizzi nel source del programma una direttiva chiamata INCLUDE cioè la direttiva P16f84.INC.

La ALU e l’accumulatore W La ALU (Arithmetic and Logic Unit) è il blocco circuitalmente più complesso del PIC in quanto contiene tutta la circuiteria delegata a svolgere le funzioni di calcolo e manipolazione dei dati durante l'esecuzione di un programma. La ALU del PIC16F84A è in grado di operare su valori ad 8 bit, ovvero valori numerici non più grandi di 255.

L'Accumulatore o registro W Direttamente connesso con la ALU c'è il registro W denominato anche accumulatore. Questo registro consiste di una semplice locazione di memoria in grado di contenere un solo valore a 8 bit. Il registro W è una cella di memoria molto particolare: posso scrivere in questa cella o leggere il contenuto di questa cella senza utilizzare un indirizzo. Viceversa se devo leggere o scrivere nelle altre celle di memoria devo passare attraverso il registro W Se devo scrivere il valore numerico 00H nell’accumulatore basta una sola istruzione, se devo scrivere lo stesso valore nella cella di indirizzo 0CH devo farlo in due passi: prima scrivo 00H nell’accumulatore e poi dall’accumulatore lo travaso nella cella d’indirizzo 0CH.

Il program counter (PC) e lo Stack Come abbiamo già visto nei passi precedenti, il PIC16F84A inizia l'esecuzione del programma a partire dall'istruzione memorizzata nella prima locazione di memoria (indirizzo  0x000).

Questo registro indica quale sarà la prossima istruzione che dovrà essere eseguita. Il program counter viene incrementato automaticamente ad ogni istruzione eseguita. Al momento dell’avvio del PIC il PROGRAM COUNTER  viene azzerato, determinando così l'inizio dell'esecuzione a partire dall'indirizzo 0x000. Qui di solito è memorizzata l’istruzione di RESET. Nel flusso normale il PC sa quanto dovrà essere incrementato per trovare l’istruzione successiva ma l’incremento può subire dei salti quando vengono eseguite particolari come le istruzioni: GOTO e CALL.

ISTRUZIONI GOTO: L'istruzione GOTO consente l'inserimento a programma di un nuovo valore nel Program Counter ed il di conseguente salto ad una locazione qualsiasi dell'area programma del PIC. ISTRUZIONE CALL: con la CALL (dall'inglese chiamata) è possibile effettuare delle CHIAMATE A SUBROUTINE (sottoprogramma in italiano) e quindi anche in questo caso si può saltare il flusso normale dell’esecuzione delle istruzioni.

L’istruzione CALL come la GOTO permette di scrivere nel Program Counter un nuovo indirizzo di esecuzione del programma. La differenza sostanziale consiste però nel fatto che prima di eseguire il salto, il PIC memorizza, in un altro registro speciale, denominato STACK, l'indirizzo di quella che sarebbe dovuta essere la successiva  istruzione da eseguire se non si fosse incontrata la CALL.

Lo Stack Pointer Dopo l’istruzione di CALL c’è sempre un’istruzione RETURN che, come dice il suo nome, consente di "ritornare", ovvero di riprendere l'esecuzione a partire dall'istruzione successiva alla CALL che aveva determinato l'abbandono del flusso principale del programma. L’indirizzo della prossima istruzione è stato memorizzato  nel registro di STACK chiamato STACK POINTER.

La parola STACK in inglese significa "catasta" ed infatti su questa catasta è possibile depositare,  uno sull'altro, più   indirizzi per recuperarli quando servono. Questo tipo di memorizzazione viene anche denominata LIFO dall'inglese Last In First Out, in cui l'ultimo elemento inserito (last in) deve necessariamente essere il primo ad uscire (last out). Grazie a questa caratteristica è possibile effettuare più CALL annidate ovvero l'una nell'altra e mantenere sempre traccia del punto in cui riprendere il flusso al momento che si incontra una istruzione RETURN.

Le Porte A e B Il PIC16F84 dispone di un totale di 13 linee di I/O organizzate in due porte denominate PORTA A e PORTA B. La PORTA A dispone di 5 linee configurabili sia in ingresso che in uscita identificate dalle sigle RA0 .. RA4. La PORTA B dispone di 8 linee anch'esse configurabili sia in ingresso che in uscita identificate dalle sigle RB0 .. RB7.

La suddivisione delle linee in due porte distinte è dettata dai vincoli dell'architettura interna del PIC16F84 che prevede la gestione di dati di lunghezza massima pari a 8 bit. Per la gestione delle linee di I/O da programma, il PIC dispone di due registri interni per ogni porta denominati TRISA e PORTA per la porta A e TRISB e PORTB per la porta B. I registri TRIS A e B, determinano se ogni singola linea della porta verrà fatta funzionare come ingresso o come uscita, I registri PORT A e B contengono una replica dello stato logico di ogni singola linea della porta.

Spieghiamo meglio con un esempio. Supponiamo di voler mettere a 0V (livello logico 0) la linea RA0 la linea RA0 deve essere configurata come linea in uscita e quindi il bit 0 del registro TRISA dovrà essere messo a zero. Inoltre verrà messo a 0 il bit 0 del registro PORTA. Il PIC provvederà a trasferire lo stato logico nella linea RA0 Supponiamo di voler mettere a 5V (livello logico 1) la linea RA0 Il bit 0 del registro TRISA viene messo a zero A differenza di quanto scritto sopra verrà messo a 1 il bit 1 del registro PORTA. Il PIC provvederà a trasferire lo stato logico nella linea RA0 che passerà a 5V

Supponiamo di voler leggere livello logico presente nella linea RA0 Se il bit 0 del registro TRISA viene messo a uno, la linea RA0 verrà configurata come linea in ingresso. Il PIC provvederà a trasferire lo stato logico imposto dalla circuiteria esterna al piedino RA0 e lo trasferirà sullo stato del bit 0 del registro PORTA. Se nella linea era presente 0V il bit 0 del PORTA varrà 0, se nella linea era presente 5V il bit 0 del PORTA varrà 1.

Per rendere più adattabili i PIC alle diverse esigenze di utilizzo, la MICROCHIP ha implementato diverse tipologie di stati d'uscita per le linee di I/O. Esistono quindi dei gruppi di pin il cui comportamento è leggermente differenziato da altri gruppi. Conoscendo meglio il funzionamento dei diversi stadi d'uscita potremo sfruttare al meglio le loro caratteristiche ed ottimizzare il loro uso nei nostri progetti

Linee RA0, RA1, RA2 Iniziamo dal gruppo di linee RA0, RA1, RA2. Lo schema a blocchi relativo all’interfacciamento del piedino con l’esterno è il seguente

Trascurando per semplicità l’analisi dettagliata di tale interfacciamento possiamo per semplicità dire: Se tramite il registro TRISA setto le linee come ingresso (bit a zero) allora il piedino si mette in alta impedenza (è come se fosse scollegato al circuito), il valore di tensione presente sul piedino viene interpretato come stato logico 1 se è 5V o 0 se è zero volt. Tale stato logico viene trasferito nel corrispondente bit registro PORTA Se tramite il registro TRISA setto le linee come uscita (bit a 1) allora il piedino si collega all’alimentazione +5V o a massa 0V a seconda se nel registro PORTA c’è 1 o 0.

Linee RA4 Lo schema a blocchi relativo all’interfacciamento del piedino RA4 con l’esterno è il seguente

Trascurando anche in questo caso per semplicità l’analisi dettagliata di tale interfacciamento possiamo dire: Se tramite il registro TRISA setto le linee come ingresso (bit a zero) allora funziona come i precedenti piedini (il piedino si mette in alta impedenza). Ha una caratteristica diversa nel funzionamento in uscita. Se tramite il registro TRISA setto la linee come uscita esso si porta a massa se deve trasmettere zero ma si mette in alta impedenza se vuole fornire uno. La tensione alta viene quindi ottenuta aggiungendo una resistenza esterna di pull-up. Questa configurazione d’uscita serve per collegare più uscite a collettore aperto sulla stessa linea.

Linee RB0, RB1, RB2, RB3 Lo schema a blocchi relativo all’interfacciamento dei piedini con l’esterno è il seguente

Se tramite il registro TRISB setto le linee come ingresso (bit a zero) allora il piedino si mette in alta impedenza (è come se fosse scollegato al circuito) e questo come per il gli altri piedini d’ingresso. Abbiamo però una caratteristica in più: abbiamo, se lo vogliamo, un collegamento interno all’alimentazione positiva con lo scopo di creare un weak (debole) pull-up. Questo consente di evitare l'uso di resistenze di pull-up esterne se abbiamo attaccati a questi piedini una circuiteria esterna di tipo a collettore aperto od un semplice pulsante. Questo weak pull-up interno può essere attivato o disattivato agendo sul bit RBPU del registro OPTION

Se tramite il registro TRISB setto le linee come uscita (bit a uno) allora il piedino ….…????? Penso sia all’alimentazione o a massa e non a collettore aperto.

La sola linea RB0 inoltre, presenta una caratteristica molto particolare. Essa, quando viene configurata come linea di ingresso, può generare, in corrispondenza di un cambio di stato logico, un interrupt, ovvero una interruzione immediata del programma in esecuzione ed una chiamata ad una subroutine speciale denominata interrupt handler. Ma di questo parleremo in seguito.

Linee RB4, RB5, RB6, RB7 Lo schema a blocchi relativo all’interfacciamento dei piedini con l’esterno è il seguente

La circuiteria di commutazione di questo gruppo di linee è identica al gruppo RB0-3. Queste linee dispongono anche della circuiteria di weak pull-up. In più rispetto alle linee RB0-3 hanno uno stadio in grado di rilevare variazioni di stato su una qualsiasi linea e di generare un interrupt di cui parleremo nelle prossime lezioni.

Il registro contatore TMR0

Il registro TMR0 è un contatore, ovvero un particolare tipo di registro a 8 bit il cui contenuto viene incrementato con cadenza regolare e programmabile direttamente dall'hardware del PIC. In pratica, a differenza di altri registri, il TMR0 non mantiene inalterato il valore che gli viene impostato all’inizio, ma lo incrementa continuamente, parallelamente all’esecuzione di altre istruzioni del programma Una volta raggiunto il valore 255 il registro TMR0 viene azzerato automaticamente riprendendo quindi il conteggio non dal valore originariamente impostato ma da zero.

Gli impulsi contati e riportati nel registro TMR0 possono provenire: 1) dal clock interno divisi per 4 2) dal pin3 dell’integrato (pin TOCKI) Questi impulsi a possono incrementare direttamente il registro timer (TMR0 register) oppure solo dopo essere divisi per un numero 2 - 4 - 16 - 32 -64 - 128 - 256. Il segnale ad onda quadra che serve per il conteggio, nel caso del segnale provenente dall’esterno (pin TOCKI) può essere ribaltato. Posso quindi scegliere se incrementare il timer con nel fronte di salita o in quello di discesa

Tutte le opzioni elencate possono essere fatte settando opportuni bit di opzione che sono: TOSE: ribalta o meno il segnale d’ingresso imponendo l’incremento del contatore sui fronti di salita( 0) o discesa (1) TOCS: resettato (0) permette il conteggio del clock interno diviso 4 . Settato (1) permette il conteggio del segnale esterno PSA: resettato (0) permette la divisione del segnale di conteggio per un valore da 2 a 256. Settato (1) non fa effettuare alcuna divisione PS0, PS1, PS2: sone 3 bit (8 configurazioni) che determinano la divisione del segnale di conteggio (2 - 4 - 8 - 16 ... 256).

Quanto visto in precedenza viene così schematizzato.

GLI INTERRUPT L'interrupt è un tecnica di comunicazione con il mondo esterno molto efficiente. Consente di intercettare una richiesta di intervento dal esterno, senza che il programma si occupi di controllare ciclicamente il suo verificarsi. Quando si presenta un interrupt si interrompere momentaneamente il programma in corso, eseguire una porzione di programma specializzata per la gestione dell'evento verificatosi e riprendere l'esecuzione nel programma principale dal punto lasciato in sospeso.

E' evidente che è molto più efficiente gestire un colloquio con il mondo esterno tramite la tecnica dell’interrupt anzichè controllare ciclicamente il verificarsi dell'evento (polling) con il programma principale. Questo per due motivi: - in attesa dell’evento esterno il PC può “dormire” o eseguire un’altra funzione; - gran parte degli aspetti legati alla gestione dell'interrupt vengono inoltre trattati direttamente dall'hardware interno del PIC per cui la risposta all'evento è praticamente immediata.

Il PIC16F84 è in grado di gestire in interrupt quattro eventi diversi, vediamo quali sono: 1 - Il cambiamento di stato sulla linea RB0 (External interrupt RB0/INT pin). 2 - La fine del conteggio del registro TMR0 (TMR0 overflow interrupt). 3 - Il cambiamento di stato su una delle linee da RB4 ad RB7 (PORTB change interrupts). 4 - La fine della scrittura su una locazione EEPROM (EEPROM write complete interrupt).

Se abilitato, al manifestarsi di una richiesta di interrupt, il PIC interrompe l'esecuzione del programma in corso, memorizza automaticamente nello STACK il valore corrente del PROGRAM COUNTER e salta all'istruzione presente nella locazione di memoria 0004H denominata Interrupt vector (vettore di interrupt).  E' da questo punto che dobbiamo inserire la nostra subroutine di gestione dell'interrupt denominata Interrupt Handler (gestore di interrupt).

Potendo presentarsi (anche contemporaneamente) più interrupt, il primo compito dell'interrupt handler è la verifica di quale, tra gli eventi abilitati, ha generato l'interrupt e l'esecuzione della parte di programma relativo. Questo controllo può essere effettuato utilizzando gli Interrupt flag Flag = bandiera

Questi interrupt flag si trovano nel registro INTCON Questi interrupt flag si trovano nel registro INTCON. Essi indicano quale è l'evento che ha generato l'interrupt nella seguente maniera, vediamoli: ·INTF (bit 1) Se vale 1 l'interrupt è stato generato dal cambiamento di stato sulla linea RB0. ·T0IF (bit 2) Se vale 1 l'interrupt è stato generato al termine del conteggio del timer TMR0. RBIF (bit 0) Se vale 1 l'interrupt è stato generato dal cambiamento di stato di una delle linee da RB4 a RB7.

Come si vede per l'interrupt sul fine scrittura in EEPROM non è previsto alcun flag di segnalazione per cui l'interrupt handler dovrà considerare che l'interrupt è stato generato da questo evento quando tutti e tre i flag sopra citati valgono 0. Importante: Una volta rilevato quale flag è attivo, l'interrupt handler deve azzerarlo altrimenti non verrà più individuato l'interrupt corrispondente.

Quando viene intercettato un interrupt il PIC disabilita automaticamente le altre richieste d’interrupt agendo sul bit GIE (Global Interrupt Enable) del registro INTCON. Così vengono trascurate tutte le ulteriori richieste di interrupt mentre è già in esecuzione il programma di gestione del precedente interrupt. Solo al termine del programma di gestione e prima di ritornare al programma principale viene reinizializzato a 1 questo bit tramite l'istruzione: RETFIE